3B SCIENTIFIC® PHYSICS
Pompe à chaleur D
230 V, 50/60 Hz 1022618 115 V, 50/60 Hz 1022619
Instructions d'utilisation
03/20 JS/ALF/GH
I Compresseur II Condenseur
III Soupape d'expansion IV Évaporateur
1. Description La pompe à chaleur D sert à illustrer le fonction-
nement d'un réfrigérateur ou d'une pompe à cha- leur de compression électrique.
Les composants compresseur, condenseur, dé- tendeur et évaporateur sont montés sur une plaque de base et sont reliés par un système fermé de tubes en cuivre et peuvent, grâce à leur agencement transparent, être directement mis en rapport avec la succession de changements d'état dans le cycle de la pompe thermique.
Constitués de serpentins en cuivre, l'évaporateur et le condenseur sont plongés dans un réservoir d'eau faisant office de réservoir thermique pour déterminer la chaleur absorbée ou dégagée.
Deux thermomètres numériques, permettent de déterminer la température respective des deux réservoirs.
Afin de pouvoir observer l'état d'agrégation du fluide frigorigène, la pompe à chaleur est équipée
de deux regards, un derrière l'évaporateur et un derrière le condenseur. Deux grands mano- mètres indiquent la pression avant et après la soupape d'expansion. L'alimentation comprend un dynamomètre permettant de déterminer la du- rée de service, la tension du secteur, la puis- sance actuellement absorbée et le travail élec- trique. Un disjoncteur de surpression coupe le moteur à compresseur du secteur en cas de sur- pression de 15 bars.
La pompe à chaleur D existe en deux modèles:
1022618 230V (±10 %), 50 Hz 1022619 115V (±10 %), 60 Hz .
2. Consignes de sécurité La pompe à chaleur D est conforme aux direc-
tives de sécurité relatives aux appareils élec- triques de mesure, de commande et de régula- tion ainsi qu’aux appareils de laboratoire con- formément à la norme DIN EN 61010 Partie 1 et répond à la classe de protection I. Elle est conçue pour une utilisation dans des endroits secs adaptés aux matériels électriques.
Une utilisation conforme à la destination garantit un emploi de l’appareil en toute sécurité. La sécu- rité n’est cependant pas garantie si l’appareil fait l’objet d’un maniement inapproprié ou s’il est ma- nipulé avec imprudence.
S’il s’avère que son utilisation ne peut plus se faire sans danger (par ex. dans le cas d’un en- dommagement visible), l’appareil doit être im- médiatement mis hors service.
L’utilisation de l’appareil dans les écoles et cen- tres de formation doit être contrôlée par du per- sonnel qualifié, sous la responsabilité de ce der- nier.
Avant une première mise en service, vérifier si la tension secteur indiquée est conforme aux exigences locales.
Avant toute mise en service, vérifier que la pompe à chaleur et le câble du secteur sont bien exempts de tout endommagement et mettre l’appareil hors service en le proté- geant contre une marche involontaire en cas de pannes de fonctionnement ou de dom- mages visibles.
Ne branchez la pompe à chaleur qu'à des pri- ses de courant avec mise à la terre du neutre.
Risque de surchauffe : En service, le compres- seur de la pompe à chaleur peut être très chaud.
Ne pas gêner la libre circulation de l'air autour du compresseur.
Ne pas isoler thermiquement le compresseur.
Ne lancer une réinitialisation du disjoncteur de surpression qu'au moins 10 minutes après son démarrage.
Le fluide frigorigène à l'intérieur des pompes à chaleur reste en surpression, même lorsque le compresseur est arrêté.
Toujours utiliser les poignées pour transpor- ter l'appareil.
Ne jamais tordre et détériorer les tubes en cuivre.
Le fluide frigorigène ne doit pas atteindre le com- presseur en phase liquide car cela risquerait de le surcharger.
Le lubrifiant issu du compresseur ne doit pas pé- nétrer dans le circuit de refroidissement.
Toujours ranger, transporter et utiliser la pompe à chaleur en position verticale.
Si l'appareil a été basculé, le laisser reposer au moins 7 heures avant de l'utiliser.
N'envoyer la pompe à chaleur que dans le carton d'origine en position débout sur la pal- ette jetable.
3. Composants
Fig. 1 Composants de la pompe à chaleur
1 Compresseur
2 Interrupteur du compresseur
3 Réservoir d'eau autour du condenseur 4 Serpentin du condenseur
5 Agitateur, côté condenseur 6 Regard, côté condenseur
7 Thermomètre numérique avec capteur de tempé- rature
8 Disjoncteur de surpression
9 Bouton de réenclenchement du disjoncteur 10 Poignées de transport
11 Manomètre côté haute pression 12 Manomètre côté basse pression 13 Contrôleur d'énergie
14 Soupape d'expansion 15 Agitateur, côté évaporateur 16 Filament spiralé de l'évaporateur 17 Réservoir d'eau autour de l'évaporateur 18 Regard, côté évaporateur
Câble d'alimentation (à l'arrière)
4. Accessoires
La "sonde de température NTC avec pince de mesure" (1021797) permet de réaliser des me- sures à différents emplacements des tubes en cuivre, car elle peut être directement fixée sur les tubes en cuivre avec un bon transfert de chaleur.
Elles s'utilise avec l'interface « VinciLab (1021477) » de saisie et d'évaluation de don- nées.
5. Caractéristiques techniques Puissance du
compresseur : 120 W, en fonction du régime
Frigorigène : R 134A (Tétrafluoroé- thane C2H2F4) Température d'ébullition : -26°C à 1 bar Réservoirs thermiques : de 2 000 ml chacun Manomètre: 160 mm Ø, jusqu'à 9 bars
(côté basse pression, conduite d'aspiration), jus- qu'à 24 bars (côté haute pression, conduite de re- foulement)
Disjoncteur : se coupe à 15 bars Thermomètre :
Température de mesure : -20°C à 110°C
Résolution : 0,1°C
Précision : ±1°C
Intervalle de mesure : env. 10 s Utilisation avec deux piles bouton LR44 Tension secteur: 115 V, 60 Hz ou
230 V, 50 Hz
Dimensions : 750 x 350 x 540 mm³
Masse : env. 21 kg
6. Manipulation 6.1 Remplir les réservoirs d'eau.
Remplir les réservoirs d'eau et les glisser res- pectivement, l'arête inférieure en avant, sous le serpentin de l'évaporateur ou du conden- seur.
Tourner les réservoirs d'eau de façon à ce que l'arête supérieure soit orientée vers la paroi ar- rière.
Soulever les réservoirs d'eau, les basculer vers la paroi arrière et les emboîter dans la tôle de fixation.
Fig. 3 Montage du réservoir d'eau sur la pompe à chaleur
A gauche : Réservoir d'eau avec arête infé- rieure orientée vers la pompe à chaleur Au centre : Réservoir d'eau pivoté et arête inférieure orientée vers l'avant
A droite : Réservoir d'eau emboîté dans la tôle de fixation
6.2 Mise en service
Respecter les consignes de sécurité visées au point 2.
Si la pompe à chaleur a été basculée, la laisser reposer au moins 7 heures avant de l'utiliser.
Avant la mise en service, remplir les deux ré- servoirs d'eau et brancher la pompe à chaleur sur le secteur.
Mettre le compresseur en marche.
Précision : Le dynamomètre fonctionne égale- ment lorsque le compresseur est arrêté.
7. Cycle de la pompe à chaleur
Fig. 4 Représentation schématique de la pompe à chaleur avec compresseur (1→2), conden- seur (2→3), soupape d'expansion (3→4) et évaporateur (4→1)
1 4
2 3
Fig. 5 Représentation du cycle idéal de la pompe à chaleur dans le diagramme de Mollier (cf.
paragraphe 8.2)
Le cycle de la pompe à chaleur est divisé en quatre phases : compression (1→2), condensa- tion (2→3), expansion adiabatique (3→4) et éva- poration (4→1) :
Compression :
Le fluide de travail gazeux est aspiré par le com- presseur, est comprimé de p1 à p2 sans modifier l'entropie (s1 = s2) et surchauffé. La température passe de T1 à T2. La condensation mécanique par unité de masse correspond à Δw = h2 – h1.
Condensation :
Dans le condenseur, le fluide refroidit considéra- blement et condense. La chaleur libérée (chaleur de surchauffe et chaleur de condensation) aug- mente la température du réservoir jusqu'à T2. Elle s'élève par unité de masse à Δq2 = h2 – h3.
Expansion adiabatique :
Le fluide condensé atteint la soupape d'expansion, où sa pression est réduite par expansion adiaba- tique (c'est à dire sans intervention mécanique).
La température diminue également, car un travail doit être effectué contre les forces d'attraction in- termoléculaires du fluide (Effet Joule-Thompson).
L'enthalpie reste constante (h4 = h3).
Évaporation :
Dans l'évaporateur, le fluide de travail s'évapore totalement par absorption de chaleur. Ceci en- traîne le refroidissement du réservoir à la tempé- rature T1. La chaleur absorbée par unité de masse est égale à Δq1 = h1 – h4.
Le fluide évaporé est aspiré par le compresseur pour subir une nouvelle compression.
Remarque :
Le fluide frigorigène expansé s'évapore et retire la chaleur du réservoir gauche.
Dans des conditions idéales, le système de tuyauterie transporte le réfrigérant gazeux pur de l'évaporateur au compresseur en passant par le voyant.
Lorsque la température de l'eau diminue, l'ab- sorption de chaleur par le serpentin de l'évapora- teur diminue et, par conséquent, des gouttes de réfrigérant peuvent devenir visibles dans le voyant gauche.
Cela n'a pratiquement aucune influence sur le fonctionnement de la pompe à chaleur, mais doit être réduit au minimum en faisant circuler cons- tamment l'eau.
Pour la détermination du coefficient de perfor- mance, une fenêtre de température limitée de- vrait être utilisée :
Température de départ env. 20°C à 25°C, tem- pérature de terminaison dans le réservoir gauche env. 10°C à 12°C.
8. Exemples d'expériences 8.1 Rendement du compresseur
Le rendement ηco du compresseur est le résultat du rapport entre la quantité de chaleur ΔQ2 ame- née au réservoir d'eau chaude par intervalle de temps Δt et la puissance d'entraînement P du compresseur. Plus l'écart de température entre le condenseur et l'évaporateur est grand et plus elle diminue.
Pour déterminer le rendement :
Brancher la pompe à chaleur.
Remplissez le réservoir d'eau avec 2 l d'eau chacun et insérez-le dans la plaque de rete- nue (voir point 6.1). Pour la mesure suivante, gardez en outre à disposition au moins 4 l d'eau à 20°C.
Allumez le compresseur et laissez-le fonc- tionner pendant environ 10 minutes afin qu'il atteigne sa température de fonctionnement (le compresseur ne doit pas chauffer pendant la mesure)
Videz le réservoir d'eau et remplissez le avec de l'eau à une température de 20°C. Réinitia- liser le compteur d'énergie (point 9)
Allumer le compresseur et démarrer le chro- nométrage (chronomètre, smartphone, etc.).
Pendant toute l'expérience, il faut toujours bien remuer l'eau dans les récipients.
Les émissions sont diffusées à intervalles de temps égaux, Notez la consommation d'éner- gie et la température de l'eau.
Interruption de la mesure, à environ 10°C dans le réservoir de gauche
À partir des valeurs mesurées, on peut calculer une efficacité globale pour le déroulement de l'expérience et une efficacité partielle pour chaque intervalle de temps.
t P
T m c t P
Q
2 2
ηco
c = Capacité thermique de l'eau et m = masse de l'eau.
8.2 Représentation dans le diagramme de Mollier
Le cycle idéal peut être déterminé dans le dia- gramme de Mollier par une mesure des pressions p(3) et p(4) avant et après la soupape d'expan- sion et par une mesure de la température T(1) avant le compresseur:
T(1) et p(4) définissent le point 1 dans le dia- gramme de Mollier (cf. Fig. 5). L'intersection des isentropes avec les droites horizontales p(3) = constante donne le point 2. L'intersection des droites horizontales avec la ligne d'ébullition donne le point 3 et la perpendiculaire à la droite horizontale p(4) = constante donne le point 4.
La mesure complémentaire des températures T(2), T(3), et T(4) donne un aperçu plus large des cycles qui se sont déroulés dans la pompe à chaleur : La température externe T(4) correspond à la température relevée sur l'échelle thermométrique du manomètre correspondant. Cette échelle thermométrique repose sur la courbe de tension de vapeur du fluide. Cette mesure montre également que le fluide après la soupape d'expansion est un mélange de liquide et de gaz.
La température externe mesurée T(3) diffère de la température relevée sur le manomètre côté haute pression. Le fluide ne contient aucune par- tie gazeuse et est totalement liquide.
Pour mesurer la température externe, il est re- commandé d'utiliser (cf. 4. Accessoires) : Une sonde de température NTC
avec pince de mesure 1021797
VinciLab 1021477
Licence Coach 7
8.3 Coefficient de performance théorique Le coefficient de performance théorique du cycle idéal peut être calculé à partir des enthalpies spé- cifiques relevées dans le diagramme de Mollier h1, h2 et h3 :
1 2
3 2 th 2
h h
h h w q
8.4 Courant massique du fluide
Si les enthalpies h2 et h3 du cycle idéal, ainsi que la quantité d'eau ΔQ2 amenée au réservoir d'eau chaude par intervalle de temps Δt sont détermi- nées, il est possible d'en déduire le courant mas- sique du fluide.
3 2
2 1
h h t Q t m
9. Contrôleur d'énergie
Fig. 6 Contrôleur d'énergie
Les valeurs suivantes peuvent être lues sur l'écran du compteur d'énergie:
Tension électrique unité Volt Courant électrique unité Ampère Puissance électrique unité Watt Énergie électrique unité watt-heure
Pour remettre l'énergie électrique à zéro, vous devez appuyer sur le petit bouton à droite de l'écran avec un objet pointu comme suit :
Maintenez-le pendant environ 4 se- condes jusqu'à ce que la valeur de l'éner- gie électrique clignote, puis appuyez de nouveau brièvement.
L'écran peut être incliné pour en faciliter la lec- ture.
10. Diagramme de Mollier
Pour représenter le cycle d'une pompe à chaleur à compression, on utilise souvent le diagramme Mollier du fluide. Ce diagramme représente la pression p du fluide par rapport à son enthalpie spécifique h (l'enthalpie est une mesure du pou- voir calorifique du fluide, une augmentation de la pression et de la partie gazeuse entraîne géné- ralement une augmentation de l'enthalpie).
Le diagramme de Mollier représente également les isothermes (T = const.) et les isentropes (S = const) ainsi que la concentration massique rela- tive de la phase liquide du fluide. A gauche de la ligne d'ébullition le fluide est totalement con- densé. A droite de la courbe de rosée, le fluide se présente sous forme de vapeur surchauffée et à l'intérieur des deux lignes sous forme de mélange liquide et gazeux. Les deux lignes se rencontrent au point critique.
Voir Fig. 7 en page 8.
11. Changement de pile
Retirer le couvercle à l'arrière du ther- momètre et retirer les piles vides.
Remplacez les piles. Respectez la polarité correcte.
Refermer le couvercle.
Si vous n'utilisez pas l'instrument pendant un certain temps, retirez les piles.
Ne jetez jamais les piles usagées dans les or- dures ménagères ! Veillez à respecter les prescriptions obligatoires en vigueur (FR : Piles et batteries usagées, UE : 2006/66/CE).
12. Rangement, entretien et nettoyage La pompe à chaleur est sans entretien.
Ranger la pompe à chaleur dans un endroit propre, sec et à l'abri de la poussière.
Débrancher la pompe à chaleur avant le net- toyage.
Utiliser un chiffon doux et humide.
13. Traitement des déchets
Pour d'éventuels retours, réparations, etc., la pompe à chaleur doit être envoyée dans le car- ton d'origine en position débout sur la palette jetable. C'est pourquoi, ne pas mettre au rebut le carton d'origine et la palette jetable.
Si la pompe à chaleur doit être jeté, ne pas le jeter dans les ordures ménagères. Il est im- portant de respecter les consignes locales rela- tives au traitement des déchets électriques.
Ne jetez jamais les piles usagées dans les or- dures ménagères ! Veillez à respecter les prescriptions obligatoires en vigueur (FR : Piles et batteries usagées, UE : 2006/66/CE).
Fig. 7 Diagramme de Mollier
T = 90°C T = 80°C T = 70°C T = 60°C T = 50°C T = 40°C T = 30°C T = 20°C T = 10°C T = 0°C T = -10°C T = -20°C
T = 110°C T = 120°C T = 130°C T = 140°C T = 150°C T = 160°C T = 170°C T = 180°C T = 190°C T = 200°C
0.1
110 140160180200220240260280300320340360380400420440460480500520540560580600
p / M Pa
H / kJ/kg
2
3
4
5
6
9 78 0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.9 0.7
0.8
S = 0.8 kJ/kg K S = 0.7 kJ/kg K S = 0.9 kJ/kg K
S = 1.0 kJ/kg K S = 1.1 kJ/kg K S = 1.2 kJ/kg K S = 1.3 kJ/kg K S = 1.4 kJ/kg K S = 1.5 kJ/kg K S = 1.6 kJ/kg K S = 1.7 kJ/kg K S = 1.8 kJ/kg K
S = 1.9 kJ/kg K S = 2.0 kJ/kg K S = 2.1 kJ/kg/K S = 2.2 kJ/kg K
